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玻璃通孔工藝(TGV)

來源:半導(dǎo)體封裝工程師之家

硅基轉(zhuǎn)接板2.5 D集成技術(shù)作為先進(jìn)的系統(tǒng)集成技術(shù),近年來得到迅猛的發(fā)展。但硅基轉(zhuǎn)接板存在兩個(gè)的主要問題:


1)成本高,硅通孔(TSV)制作采用硅刻蝕工藝,隨后硅通孔需要氧化絕緣層、薄晶圓的拿持等技術(shù);


2) 電學(xué)性能差,硅材料屬于半導(dǎo)體材料,傳輸線在傳輸信號(hào)時(shí),信號(hào)與襯底材料有較強(qiáng)的電磁耦合效應(yīng),襯底中產(chǎn)生渦流現(xiàn)象,造成信號(hào)完整度較差(插損、串?dāng)_等)。


作為另一種可能的替代硅基轉(zhuǎn)接板材料,玻璃通孔(TGV)轉(zhuǎn)接板正在成為半導(dǎo)體企業(yè)和科研院所的研究熱點(diǎn)。

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和TSV相對(duì)應(yīng)的是,作為一種可能替代硅基轉(zhuǎn)接板的材料,玻璃通孔(TGV)三維互連技術(shù)因眾多優(yōu)勢(shì)正在成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn),與硅基板相比,TGV的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:


1)優(yōu)良的高頻電學(xué)特性。玻璃材料是一種絕緣體材料,介電常數(shù)只有硅材料的1/3左右,損耗因子比硅材料低2-3個(gè)數(shù)量級(jí),使得襯底損耗和寄生效應(yīng)大大減小,保證了傳輸信號(hào)的完整性;


2)大尺寸超薄玻璃襯底易于獲取。Corning、Asahi以及SCHOTT等玻璃廠商可以提供超大尺寸(>2m × 2m)和超薄(<50μm)的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料;


3)低成本。受益于大尺寸超薄面板玻璃易于獲取,以及不需要沉積絕緣層,玻璃轉(zhuǎn)接板的制作成本大約只有硅基轉(zhuǎn)接板的1/8;


4)工藝流程簡單。不需要在襯底表面及TGV內(nèi)壁沉積絕緣層,且超薄轉(zhuǎn)接板中不需要減。


5)機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)。即便當(dāng)轉(zhuǎn)接板厚度小于100μm時(shí),翹曲依然較小;


6)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。除了在高頻領(lǐng)域有良好應(yīng)用前景,作為一種透明材料,還可應(yīng)用于光電系統(tǒng)集成領(lǐng)域,氣密性和耐腐蝕性優(yōu)勢(shì)使得玻璃襯底在MEMS封裝領(lǐng)域有巨大的潛力。

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近年來,國內(nèi)外許多研究者致力于研發(fā)低成本、小尺寸、細(xì)間距、無損快速玻璃成孔技術(shù)的開發(fā),如噴砂法、光敏玻璃、等離子體刻蝕、聚焦放電、激光燒蝕等。但是由于玻璃材料的易碎性和化學(xué)惰性,當(dāng)前已有的方法都還存在許多問題,距離實(shí)際應(yīng)用和大規(guī)模的量產(chǎn),還有很長的路要走。截止目前,玻璃通孔三維互連技術(shù)發(fā)展的主要困難包括:


1)現(xiàn)有的方法雖然可以實(shí)現(xiàn)TGV,但有些方法會(huì)損傷玻璃,造成表面不光滑;有些方法的加工效率低,沒法大規(guī)模量產(chǎn);


2)TGV的高質(zhì)量填充技術(shù),與TSV不同,TGV孔徑相對(duì)比較大且多為通孔,電鍍時(shí)間和成本將增加;


3)與硅材料相比,由于玻璃表面平滑,與常用金屬(如Cu)的黏附性較差,容易造成玻璃襯底與金屬層之間的分層現(xiàn)象,導(dǎo)致金屬層卷曲,甚至脫落等現(xiàn)象。



1、 玻璃穿孔主要技術(shù)


1.1玻璃穿孔成孔技術(shù)


制約玻璃通孔技術(shù)發(fā)展的主要困難之一就是玻璃通孔成孔技術(shù),需要滿足高速、高精度、窄節(jié)距、側(cè)壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求。玻璃通孔成孔技術(shù)可以分為噴砂法、光敏玻璃法、聚焦發(fā)電法、等離子體刻蝕法、激光燒蝕法、電化學(xué)放電加工法、激光誘導(dǎo)刻蝕法。



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其中,玻璃誘導(dǎo)刻蝕法如下:


1) 使用皮秒激光在玻璃上產(chǎn)生變性區(qū)域;


2)將激光處理過的玻璃放在氫氟酸溶液中進(jìn)行刻蝕。

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1.2玻璃穿孔填孔技術(shù)


類似硅通孔的金屬填充方案也可以應(yīng)用在TGV上。

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另外一個(gè)將TGV填實(shí)的方案是將金屬導(dǎo)電膠進(jìn)行TGV填實(shí)。利用金屬導(dǎo)電膠的優(yōu)點(diǎn)是固化后導(dǎo)電通孔的熱膨脹系數(shù)可以調(diào)節(jié),使其接近基材,避免了因CTE不匹配造成的失效。


除了TGV電鍍填實(shí)外,TGV也可以采用通孔內(nèi)電鍍薄層方案實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接。


1.3玻璃通孔高密度布線


線路轉(zhuǎn)移(CTT)和光敏介質(zhì)嵌入法,是比較常用的方式。CTT主要包括兩個(gè)過程。一是精細(xì)RDL線預(yù)制,每一RDL層可以在可移動(dòng)載體上單獨(dú)制造一層薄導(dǎo)電層,并在轉(zhuǎn)移到基板上之前測(cè)試或檢查細(xì)線成品率。精細(xì)線路的形成采用細(xì)線光刻和電解鍍銅的方法,并且以薄銅箔作為鍍層的種子層。工藝流程如下:

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第二步就是將RDL層集成到基板上。RDL層被制造出來后,他們?cè)偈褂脽釅汉系耐瑫r(shí)被轉(zhuǎn)移到核心層的兩邊。步驟如下:

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PTE工藝可分為兩個(gè)不同的步驟,一是在光敏介質(zhì)層總形成精細(xì)的溝槽;二是金屬化,包括種子層沉積、電鍍和表面除銅。工藝流程如下:

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2、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀



2011年,瑞士的微納系統(tǒng)研究部提出了如下圖所示的基于TSV技術(shù)圓片級(jí)真空封裝方案。該方案由TSV封帽與器件層兩部分構(gòu)成,TSV封帽垂直導(dǎo)通柱是填充在硅通孔中的銅柱。器件層上制作有金錫電極與銅柱相連,從而把電信號(hào)從空腔內(nèi)部的引到空腔外部,最后通過硅-硅直接鍵合實(shí)現(xiàn)密封。該方案氣密性很好,但是TSV封帽制作工藝復(fù)雜,熱應(yīng)力大(銅柱與硅熱失配大),且硅硅鍵合對(duì)鍵合表面要求質(zhì)量很高,一般加工過的硅片很難達(dá)到此要求。



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2013年,新加坡微電子學(xué)院提出如下圖所示基于TSV技術(shù)的圓片級(jí)真空封裝方案。該方案由TSV封帽、硅器件層組成,TSV封帽也是由硅通孔里的銅柱做垂直導(dǎo)通柱,硅器件層上制作有射頻結(jié)構(gòu)及金屬電極,最后使用AuSn焊料鍵合實(shí)現(xiàn)氣密封裝。此方案雖然也存在TSV封帽制作工藝復(fù)雜,熱應(yīng)力大的問題,但采用焊料鍵合方式封裝,盡管犧牲一定的密封性,但大大降低對(duì)TSV鍵合表面質(zhì)量的要求,其工業(yè)應(yīng)用范圍更廣。


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從以上兩個(gè)TSV例子可以看出,TSV存在工藝復(fù)雜,熱應(yīng)力過大的缺點(diǎn)。為解決這些問題,更好實(shí)現(xiàn)真空封裝,又提出了TGV技術(shù)。2008年,美國Michigan大學(xué)提出了的一種基于常規(guī)工藝TGV技術(shù)的圓片級(jí)真空封裝方案,如下圖所示。該方案由封帽,器件層以及基于常規(guī)工藝TGV技術(shù)襯底三部分構(gòu)成。封帽可以為硅或玻璃,制作有空腔;器件層是硅結(jié)構(gòu)層。基于常規(guī)工藝TGV技術(shù)襯底是在玻璃片上制作電極和通孔,通孔表面沉積有金屬層,有的通孔填充焊錫球,用以形成垂直導(dǎo)通柱,把電信號(hào)由密封腔中引出。最后通過陽極鍵合把器件層與TGV襯底鍵合在一起,形成密封。該方案優(yōu)點(diǎn)是通過陽極鍵合形成密封,陽極鍵合密封性好、熱失配小、污染小且一般硅片能達(dá)到陽極鍵合對(duì)表面質(zhì)量的要求。


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2010年,挪威的Sensonor Technologies AS提出了結(jié)構(gòu)如下圖所示的一種基于玻璃回流TGV技術(shù)圓片級(jí)真空封裝方案封裝蝶翼式硅微陀螺。為減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力,提高陀螺儀靈敏度,采用三層對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),上下兩層均為TGV襯底,中間夾硅結(jié)構(gòu)層;诓AЩ亓鱐GV襯底,是通過高溫玻璃回流,然后雙面CMP加工制成的。TGV襯底垂直導(dǎo)通柱即為由回流玻璃隔離出來的硅柱,襯底上不制作金屬電極,直接用硅做電極。硅結(jié)構(gòu)層采用Silicon-on-Insulator (SOI)材料和干法刻蝕制作而成,空腔制作在硅可動(dòng)結(jié)構(gòu)層上,通過硅-玻璃將三者陽極鍵合在一起,分別有兩次,形成密封環(huán)境。該封裝方案優(yōu)勢(shì)凸出,不僅封裝應(yīng)力低,而且TGV襯底工藝簡單,密封性好,熱適配小,寄生電容小。


2013年,韓國Dankook大學(xué)開發(fā)出結(jié)構(gòu)如圖所示的TGV技術(shù)圓片級(jí)真空封裝方案。該方案包括玻璃封帽、CPW器件層以及TGV襯底,腔體制作在玻璃封帽上。其TGV襯底與眾不同,先后采用玻璃回流工藝與電鍍銅工藝制作。簡而言之,為先利用玻璃回流工藝制作硅導(dǎo)通柱,然后去除硅導(dǎo)通柱,用電鍍銅作導(dǎo)通柱。CPW器件層制作在襯底密封環(huán)范圍內(nèi),最后封帽與襯底通過硅-玻璃陽極鍵合形成密封腔,并制作外部的金屬焊盤完成引線及封裝。該方案電學(xué)性能優(yōu)良,但工藝復(fù)雜。


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2009年,上海微系統(tǒng)所提出了一種結(jié)構(gòu)如圖所示基于TSV技術(shù)的圓片級(jí)真空封裝方案。該方案由TSV封帽與硅襯底兩部分組成:TSV封帽采用濕法和干法刻蝕出通孔,通孔中填充銅作為導(dǎo)通柱,導(dǎo)通柱與硅通過隔離層隔離,腔體制作在TSV封帽上。硅襯底上制作有結(jié)構(gòu),通過Cu-Sn焊料鍵合與TSV封帽實(shí)現(xiàn)密封封裝。該方案簡單易行,但焊料鍵合用在圓片級(jí)真空封裝上會(huì)顯得鍵合密封性不夠,污染過大。

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2012年,北京大學(xué)提出了結(jié)構(gòu)如圖所示一種基于常規(guī)工藝TGV技術(shù)的圓片級(jí)真空封裝方案。該方案是典型的三明治式架構(gòu),由玻璃封帽、硅可動(dòng)結(jié)構(gòu)層、TGV襯底三層組成。硅可動(dòng)結(jié)構(gòu)采用干法刻蝕出可動(dòng)結(jié)構(gòu);基于常規(guī)工藝TGV襯底采用濕法腐蝕出通孔與金屬沉積導(dǎo)通柱等工藝制作而成;空腔制作在封帽上,空腔頂部沉積有吸氣劑,保持腔體真空度。最后玻璃封帽、硅可動(dòng)結(jié)構(gòu)層、TGV襯底通過兩次硅-玻璃陽極鍵合封裝在一起。

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3、 TGV技術(shù)的應(yīng)用



3.1玻璃基板的三維集成無源元件


玻璃基板具有優(yōu)異的高頻電學(xué)性能,因此被廣泛的應(yīng)用于集成無源器件(IPD)之中。2010年,喬治亞理工的封裝中心率先完成了基于TGV的濾波器設(shè)計(jì)與制造,并與相同的硅基電感對(duì)比,展現(xiàn)了更好的電學(xué)特性。2017年,日月光集團(tuán)在玻璃基板上實(shí)現(xiàn)了面板級(jí)的IPD制作工藝。該方案板材翹曲可控制在1mm以內(nèi),并且無明顯結(jié)構(gòu)剝落分層現(xiàn)象。


3.2嵌入式玻璃扇出與集成天線封裝


玻璃通孔還可以在玻璃上制作空腔,進(jìn)而為芯片的封裝提供一種嵌入式玻璃扇出(eGFO)的新方案。2017年喬治亞理工率先實(shí)現(xiàn)了用于高I/O密度和高頻多芯片集成的玻璃面板扇出封裝。該技術(shù)在70um厚、大小為300mm*300mm的玻璃面板上完成了26個(gè)芯片的扇出封裝,并有效的控制芯片的偏移和翹曲。2020年云天半導(dǎo)體采用嵌入式玻璃扇出技術(shù)開了77GHz汽車?yán)走_(dá)芯片的封裝,并在此基礎(chǔ)上提出了一種高性能的天線封裝(AiP)方案。工藝流程如圖所示:


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在厚度為180um的玻璃晶片中,先采用激光誘導(dǎo)玻璃變性和化學(xué)腐蝕工藝形成玻璃空腔,然后將175um高的芯片放入玻璃空腔總。通過復(fù)合材料將芯片和玻璃之間的縫隙填壓而不產(chǎn)生空隙,同時(shí)保護(hù)芯片的背面。對(duì)晶圓的頂面進(jìn)行剝離,形成銅RDL,最后進(jìn)行后續(xù)線路制作、球柵陣列(BGA)制作以及晶圓切片。


3.3基于玻璃通孔的MEMS封裝


2013年,LEE等利用玻璃穿孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)射頻MEMS器件的晶圓級(jí)封裝,采用電鍍方案實(shí)現(xiàn)通孔的完全填充,通過該方案制作的射頻MEMS器件在20GHz時(shí)具有0.197dB的低插入損耗和20.032dB的高返回?fù)p耗。2018年,LAAKSO等創(chuàng)造性地使用磁輔助組裝的方式來填充玻璃通孔,并用于MEMS器件的封裝中。

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3.4基于TGV的集成天線


廈門大學(xué)的張淼創(chuàng)造性的引入TGV加工波導(dǎo)縫隙天線。首先采用激光誘導(dǎo)刻蝕制備波導(dǎo)縫隙陣列天線玻璃襯底,通過激光在玻璃上誘導(dǎo)產(chǎn)生連續(xù)性的變性區(qū),后將變性后的玻璃在稀釋氫氟酸總進(jìn)行刻蝕,由于激光作用處的玻璃氫氟酸中刻蝕速率較快,所以玻璃會(huì)成塊脫落從而形成目標(biāo)通孔結(jié)構(gòu)。最終刻蝕后的玻璃穿孔精度為±5μm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)加工的精度。其次,采用物理氣相沉積對(duì)每層波導(dǎo)縫隙陣列天線玻璃襯底濺射銅層,經(jīng)過氧等離子體清洗以徹底清除焊盤表面的有機(jī)物等顆粒,并使晶圓表面產(chǎn)生一定的粗糙度,為種子層的良好附著創(chuàng)造條件。清洗后的晶圓在烤箱150℃下烘烤60min徹底去除水汽。然后在磁控濺射設(shè)備中,晶圓表面濺射一層厚度約為5μm的銅層。最后,采用技術(shù)焊料鍵合技術(shù)將5片晶圓鍵合。用刮刀以及絲網(wǎng)將10μm厚度的錫焊料印刷到晶圓表面,然后在鍵合機(jī)的真空腔室中以240℃的溫度加熱,以40N的壓力壓合5min使焊料融化或相互擴(kuò)散以達(dá)到鍵合的目的。工藝流程度如圖:

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3.5多層玻璃基板


2018年IWAI等使用導(dǎo)電膠填充玻璃通孔,從而實(shí)現(xiàn)多層玻璃基板堆疊,在回流過程中,通過該方案制作的多層玻璃基板的翹曲比傳統(tǒng)有機(jī)基板要小,通過該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高密度布線,同時(shí)具有較高的可靠性。2019年,IWAI等在多層玻璃基板的技術(shù)基礎(chǔ)上,完成了一個(gè)多芯片封裝的結(jié)構(gòu)。其工藝流程如圖:

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來源:半導(dǎo)體封裝工程師之家

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